DE3836463A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung der abwaerme eines prozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses, bei dem Abgas und Kühl­ wasser anfallen, wobei das Kühlwasser zum Teil verdampft wird.

Die Anwendbarkeit der Erfindung ist überall dort gegeben, wo Abwärme gleichzeitig in Form von Kühlwasser und Abgas anfällt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet stellen Blockheizkraftwerke dar. Sie arbeiten mit einem Stromerzeuger, der von einer Kraftmaschine angetrieben wird. Die Kraftmaschine, bei der es sich in der Regelung um einen Verbrennungsmotor, beispielswei­ se einen Gasmotor handelt, erzeugt Abgas und arbeitet mit im Kreislauf geführtem Kühlwasser.

Das Abgas von Blockheizkraftwerken liefert Nutzwärme auf hohem Temperaturniveau. Allerdings handelt es sich dabei lediglich um ca. 40% der insgesamt zur Verfügung stehenden Abwärme. Der überwiegende Anteil von ca. 60% fällt im Kühlerwasser an, also auf niedrigem Temperaturniveau.

Bei der Normalkühlung von Verbrennungsmotoren besitzt das Kühlwasser am Austritt eine Temperatur von ca. 92°C. Es ent­ hält höchstens einen geringen Dampfanteil und eignet sich fast ausschließlich lediglich für Heizzwecke. Dies gilt auch dann, wenn ein Teil dieses Kühlwassers unter Einsatz des mit ca. 600°C anfallenden Abgases verdampft wird. Das energetische Niveau hebt sich dabei nur unwesentlich und erreicht keines­ falls die für Brauereien, chemische Prozesse, Erzeugung von Fernwärme und der gleichen erforderliche Mindest-Kondensa­ tionstemperatur von 125 bis 130°C. Auch eine Überhitzung des Dampfes durch das Abgas ist wenig sinnvoll, da die Kondensa­ tionswärme nur auf einem Temperaturniveau unterhalb 120°C zu­ rückgewonnen werden kann.

Aus diesen Gründen ist man bereits zur sogenannten Heißkühlung übergegangen bei der das Kühlwasser die Kraftmaschine mit ca. 115°C verläßt. Es enthält bereits einen erhöhten Anteil an Wasserdampf, so daß eine anschließende Beheizung mit dem Abgas insgesamt eine ausreichende Dampfmenge zur Verfügung stellt. Auch ist das energetische Niveau der obengenannten Mindest­ grenze angenähert, reicht jedoch immer noch nicht aus, den Anwendungsbereich über den der Heizwärme auszudehnen. Dem steht ein erheblicher Aufwand an konstruktiven Änderungen der Verbrennungskraftmaschinen gegenüber, beispielsweise eine zwingend erforderliche Ölkühlung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Kühlwas­ ser gewinnbare Wärme auf erhöhtem Temperaturniveau zur Verfü­ gung zustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserdampf vor seiner Nutzung unter Einsatz mindestens eines Teils des Abgases ver­ dichtet wird.

Durch diese Verdichtung erhöht sich die Temperatur des Dampfes beispielsweise um mehr als 100°C, wobei die Druckbedingungen eine Rückgewinnung der Kondensationswärme auf einem Tempera­ turniveau gestatten, welches wesentlich über dem der normalen Heizwärme liegt und damit eine erhebliche Erweiterung des Einsatzbereiches gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gleichermaßen für Normalkühlung wie auch für Heißkühlung geeignet. Im erstge­ nannten Falle wird Dampf ggf. unter Einsatz einer Teilmenge des Abgases erzeugt. Im letztgenannten Fall genügt es unter Umständen, den bereits aus der Kraftmaschine austretenden Dampfanteil lediglich abzuscheiden.

Der energetische Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß zur Erhöhung der Exergie des Kühlwassers das ohnehin anfallende Abgas verwendet wird.

Die Erfindung richtet sich ferner auf eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses mit einer eine Abgaslei­ tung aufweisenden, in einem Kühlwasserkreis liegenden Kraft­ maschine, einem im Kühlwasserkreis angeordneten Dampfabschei­ der/-erzeuger und mit einem Verbraucher, der an den Dampfab­ scheider/-erzeuger sowie ggf. an die Abgasleitung der Kraft­ maschine angeschlossen ist, wobei diese Vorrichtung gekenn­ zeichnet ist durch eine an die Abgasleitung der Kraftmaschine angeschlossene Turbine, die von mindestens einem Teilstrom des Abgases durchströmt wird, und einen von der Turbine angetrie­ benen Verdichter für den Kühlerwasserdampf, der zwischen den Dampfabscheider/-erzeuger und den Verbraucher geschaltet ist.

Bei dieser Vorrichtung komprimiert der Verdichter unter gleichzeitiger Temperaturerhöhung den aus dem Kühlwasser abge­ schiedenen oder erzeugten Dampf und schafft damit die Möglich­ keit, die Kondensationswärme auf vergleichsweise hohem energe­ tischem Niveau zurückzugewinnen. Der Verdichter wird von der Abgasturbine angetrieben. Derartige Turboaggregate stellen ausgereifte Technik dar, die hinsichtlich ihrer Auslegung, ihrer Konstruktion, ihrer Fertigung und ihres Betriebes keine Schwierigkeiten bereiten und dabei mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Der einfache Aufbau der Vorrichtung verlangt nur geringe Investitionen.

In der Turbine sinkt die Abgastemperatur. Damit vermindern sich die Abgasverluste. Ferner wird der Katalysator geschont. Auch kann ein ggf. nachgeschalteter Abgas-Wärmetauscher in kleiner Baugröße ausgeführt sein.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrich­ tung dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfabscheider/-erzeuger ein im wesentlichen vertikalachsiges und zylinderförmiges Gehäuse mit einer Einlaßleitung, einer Auslaßleitung und einer Dampfabzugsleitung aufweist, welches von einer im wesentlichen horizontalen, eine zentrale Öffnung bildenden Trennwand in eine obere und eine untere Kammer unterteilt ist, wobei die Einlaßleitung tangential in die obere Kammer hinein und die Auslaßleitung tangential aus der unteren Kammer herausführt, während die Dampfabzugsleitung zentral von der oberen Kammer nach oben abgeht.

Auf diese Weise läßt sich die Dampfabscheidung/-erzeugung ohne Wärmezufuhr wesentlich steigern. In den beiden Kammern bildet sich eine spiralförmige Strömung aus, für die die Beziehung gilt

r × w = const.

Dabei bedeuten r den Abstand von der Mittelachse und w die jeweilige Geschwindigkeit.

In der oberen Kammer nimmt also die Geschwindigkeit von der tangentialen Einlaßleitung zur zentralen Öffnung in der Trenn­ wand ständig zu. Dabei fällt der Druck ab, so daß also in Richtung auf die Mittelachse die Dampfabscheidung/-erzeugung fortschreitend zunimmt. Der Dampf wird durch die Dampfabzugs­ leitung dem Verdichter zugeführt. In der unteren Kammer nimmt die Geschwindigkeit von der zentralen Öffnung der Trennwand zur tangentialen Auslaßleitung unter gleichzeitigem Druckauf­ bau ständig ab.

Es wurde gefunden, daß der erfindungsgemäße Dampfabscheider/- erzeuger die Möglichkeit bietet, in einem Blockheizkraftwerk selbst bei Normalkühlung der Kraftmaschine ohne zusätzliche Beheizung ausreichende Dampfmengen zur Verfügung zu stellen. Eine zusätzliche Beheizung ist außerdem möglich.

Bei Blockheizkraftwerken entfällt somit jegliche Notwendigkeit der Heißkühlung. Dies bedeutet, daß bei optimaler Nutzung der Abwärme sämtliche Vorteile der Normalkühlung beibehalten wer­ den können, als da sind Betriebssicherheit, lange Lebensdauer der Kraftmaschine, verminderte Herstellungskosten und der gleichen.

Vorzugsweise ist in der Einlaßleitung des Dampfabscheiders/-­ erzeugers eine die Strömungsgeschwindigkeit einstellende Klap­ pe angeordnet. Damit ist eine einfache und wirksame Möglich­ keit für die Steuerung der Betriebsbedingungen des Dampfab­ scheiders/-erzeugers gegeben.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal sind dem Verdichter mindestens ein Wärmetauscher des Verbrauchers und diesem ein im Kühlwasserkreis zwischen der Kraftmaschine und dem Dampfab­ scheider/-erzeuger liegender Kondensatwärmetauscher nachge­ schaltet. Der verdichtete Kühlwasserdampf überträgt also seine Wärme auf den Verbraucher und dient im Anschluß daran zur Vorwärmung des aus der Kraftmaschine austretemden Kühlwas­ sers.

Vergleichbare Verhältnisse bezüglich des Abgases sind dadurch zu erreichen, daß der Turbine mindestens ein Wärmetauscher des Verbrauchers und diesem ein im Kühlwasserkreis zwischen der Kraftmaschine und dem Dampfabscheider/-erzeuger liegender Abgaswärmetauscher nachgeschaltet sind.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann ferner gekennzeichnet sein durch einen dem Verdichter und der Turbine nachgeschalte­ ten Kondensator/Verdampfer des Verbrauchers. In diesem wird das Wärmeträgermedium des Verbrauchers verdampft, so daß also die nachgeschalteten, vom verdichteten Kühlwasserdampf und vom Abgas beaufschlagten Wärmetauscher als Überhitzer arbeiten. Gleichzeitig kondensiert der Kühlwasserdampf im Kondensator/ Verdampfer, wobei außerdem noch Wärme aus dem Abgas abgezogen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeich­ nung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eines Teils eines Blockheizkraftwerkes;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 3 durch einen erfindungsge­ mäßen Dampfabscheider/-erzeuger;

Fig. 3 einen Horizontalschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Nach Fig. 1 umfaßt das Blockheizkraftwerk eine Kraftmaschine 1, bei der es sich im vorliegenden Fall um einen Gasmotor handelt. Er dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Strom­ erzeugers.

Die Kraftmaschine 1 liegt in einem Kühlwasserkreis 2 und ist ferner ist mit einer Abgasleitung 3 versehen. Das aus der Kraftmaschine 1 austretende Kühlwasser gelangt in einen Dampf­ abscheider/-erzeuger 4. Von hier aus wird einerseits das Kühl­ wasser zurück zur Kraftmaschine 1 geleitet, und zwar über eine Kühlwasserpumpe 5. Andererseits gelangt der Kühlwasserdampf zu einem Verdichter 6, der von einer Turbine 7 angetrieben wird.

Die Turbine 7 ist an die Abgasleitung 3 der Kraftmaschine 1 angeschlossen.

Das aus der Turbine 7 austretende Abgas und der vom Verdichter 6 komprimierte Dampf werden einem Verbraucher 8 zugeführt, in dessen Kreislauf eine Energieentnahmestelle 9 liegt. Im ein­ zelnen durchströmt der Dampf einen Wärmetauscher 10, sodann einen Kondensator/Verdampfer 11 und schließlich einen Konden­ satwärmetauscher 12, der zur Aufheizung des aus der Kraftma­ schine 1 austretenden Kühlwassers dient. Der zwischenzeitlich kondensierte Dampf wird sodann in den Kühlwasserkreis zurück­ geleitet.

Das aus der Turbine 7 austretende Abgas durchströmt einen Wärmetauscher 13 des Verbrauchers 8, sodann den ebenfalls zum Verbraucher 8 gehörenden Kondensator/Verdampfer 11 und schließlich einen Abgaswärmetauscher 14, der, wie der Konden­ satwärmetauschauer 12, zur Aufheizung des aus der Kraftmaschi­ ne 1 austretenden Kühlwassers dient. Das Abgas gelangt sodann in die Atmosphäre.

Bei der Kraftmaschine 1 handelt es sich, wie bereits erwähnt, um einen Gasmotor, und zwar um einen solchen mit Normalküh­ lung. Dementsprechend verläßt das Kühlwasser die Kraftmaschine 1 mit einer Temperatur von ca. 92°C. Durch den Kondensatwärme­ tauscher 12 und den Abgaswärmetauscher 14 wird es auf ca. 95°C aufgeheizt und tritt mit dieser Temperatur in den Dampfab­ scheider/-erzeuger ein. Dessen Auslaßtemperatur sowohl für das Kühlwasser als auch für den Dampf beträgt ca. 90°C. Hinter dem Verdichter 6 besitzt der Dampf eine Temperatur von ca. 250°C. Dabei sind die sonstigen energetischen Bedingungen so gewählt, daß der Dampf seine Kondensationswärme bei einer Temperatur von ca. 140°C an den Verbraucher 8 abgeben kann. In dieser Anhebung des energetischen Niveaus des Kühlwassers unter Nut­ zung der Exergie des Abgases liegt der wesentliche Vorteile der Erfindung.

Nach den Fig. 2 und 3 umfaßt ein Dampfabscheider/-erzeuger ein stehendes zylindrisches Gehäuse 15 mit einer Einlaßleitung 16 und einer Auslaßleitung 17. Eine horizontale Trennwand 18, die eine zentrale Öffnung 19 bildet, unterteilt das Gehäuse 15 in eine obere und in eine untere Kammer. Die Einlaßleitung 16 mündet tangential in der oberen Kammer. Gleichermaßen führt die Auslaßleitung 17 tangential aus der unteren Kammer her­ aus.

In der oberen Kammer bildet sich eine Spiralströmung aus, die von der Einlaßleitung 16 zur Öffnung 19 hin an Geschwindigkeit zunimmt, wodurch sich der Druck vermindert. Dementsprechend wird vorhandener Dampf rasch abgeschieden und gesättigter Dampf erzeugt. Der Dampf verläßt das Gehäuse 15 durch eine nach oben führende Dampfabzugsleitung 20.

Auch in der unteren Kammer des Gehäuses 15 bildet sich eine Spiralströmung aus, die von der Öffnung 19 zur Auslaßleitung 17 führt. Sie verlangsamt sich zunehmend, wodurch der Druck in Richtung auf die Auslaßleitung 17 wieder ansteigt.

Die Druckminderung im Bereich der zentralen Öffnung 19 der Trennwand 18 senkt den Siedepunkt des Kühlwasser soweit ab, daß auch unter den Bedingungen der Normalkühlung der Kraft­ maschine ausreichende Dampfmengen zur Versorgung des Verbrau­ chers zur Verfügung gestellt werden können.

Fig. 3 zeigt eine Klappe 21, mit der die Strömungsgeschwin­ digkeit in der Einlaßleitung 16 und damit die Betriebsbedin­ gungen des Dampfabscheiders/-erzeugers eingestellt werden können.

Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiel sind Modifikationen der Erfindung möglich. So kann das erfindungsgemäße Konzept gleichermaßen bei Heißkühlung der Kraftmaschine Anwendung finden, um auch hier das energetische Niveau des Kühlwasserdampfes unter Ausnutzung der Exergie des Abgases zu erhöhen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Turbi­ ne nur mit einem Teilstrom des Abgases zu beaufschlagen. Der Rest des Abgases kann dann separat genutzt werden, oder aber auch dazu dienen, die erzeugte Dampfmenge zu erhöhen, und zwar sowohl bei Normalkühlung als auch bei Heißkühlung der Kraft­ maschine.

Im übrigen ist, wie eingangs bereits erwähnt, der Anwendungs­ bereich der Erfindung nicht auf Blockheizkraftwerke be­ schränkt. Vielmehr kann die Erfindung überall dort Anwendung finden, wo gleichzeitig Abgas und Kühlwasser zur Abwärmenut­ zung zur Verfügung stehen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses, bei dem Abgas und Kühlwasser anfallen, in einem Verbraucher, wobei das Kühlwasser zum Teil verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserdampf vor seiner Nutzung unter Einsatz min­ destens eines Teils des Abgases verdichtet wird.

2. Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses mit einer eine Abgasleitung (3) aufweisenden, in einem Kühlwasser­ kreis (2) liegenden Kraftmaschine (1), einem im Kühlwasser­ kreis (2) angeordneten Dampfabscheider/-erzeuger (4) und mit einem Verbraucher (8), der an den Dampfabscheider/-erzeuger (4) sowie ggf. an die Abgasleitung (3) der Kraftmaschine (1) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine an die Abgaslei­ tung (3) der Kraftmaschine (1) angeschlossene Turbine (7), die von mindestens einem Teilstrom des Abgases durchströmt wird, und einen von der Turbine (7) angetriebenen Verdichter (6) für den Kühlwasserdampf, der zwischen den Dampfabscheider/-erzeu­ ger (4) und den Verbraucher (8) geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfabscheider/-erzeuger (4) ein im wesentlichen verti­ kalachsiges und zylinderförmiges Gehäuse (15) mit einer Ein­ laßleitung (16), einer Auslaßleitung (17) und einer Dampfab­ zugsleitung (20) aufweist, welches von einer im wesentlichen horizontalen, eine zentrale Öffnung (19) bildenden Trennwand (18) in eine obere und eine unter Kammer unterteilt ist, wobei die Einlaßleitung (16) tangential in die obere Kammer hinein und die Auslaßleitung (17) tangential aus der unteren Kammer herausführt, während die Dampfabzugsleitung (20) zentral von der oberen Kammer nach oben abgeht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einlaßleitung (16) des Dampfabscheiders/-erzeugers (4) eine die Strömungsgeschwindigkeit einstellende Klappe (21) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter (6) mindestens ein Wärme­ tauscher (10) des Verbrauchers (8) und diesem ein im Kühlwas­ serkreis (2) zwischen der Kraftmaschine (1) und dem Dampfab­ scheider/-erzeuger (4) liegender Kondensatwärmetauscher (12) nachgeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbine (7) mindestens ein Wärmetau­ scher (13) des Verbrauchers (8) und diesem ein im Kühlwasser­ kreis (2) zwischen der Kraftmaschine (1) und dem Dampfabschei­ der/-erzeuger (4) liegender Abgaswärmetauscher (14) nachge­ schaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch einen dem Verdichter (6) und der Turbine (7) nachgeschalteten Kondensator/Verdampfer (11) des Verbrauchers.